Расчет течений жидкостей и газов в продуктах APM

APM FGAМеханика жидкости и газов

При проектировании или оптимизации инженерно-технических объектов различного назначения возрастает необходимость учета взаимодействия этих объектов с жидкой или газообразной средой, а также количественной и качественной оценки влияния течений на эти объекты.

Численное моделирование, реализованное в APM FGA, может использоваться для описания процессов ламинарных и турбулентных, стационарных и нестационарных, изотермических и неизотермических течений жидкостей и газов, а также сопряженного теплообмена, основанного на взаимодействии полей температур и тепловых потоков на границах раздела агрегатных состояний вещества.

Функциональные возможности анализа течений Навье-Стокса.

1. Модели турбулентности:

  • алгебраическая, основанная на гипотезе пути смешения Прандтля;
  • k-epsilon стандартная.

2. Процессы теплообмена:

  • теплопроводность;
  • конвекция:

- адвекция;

- вынужденная;

- свободная;

  • излучение;
  • смешанная;

3. Сопряженный теплообмен.

4. Сопряженные задачи типа одностороннего FSI (Fluid Structure Interaction) - расчет напряженно-деформированного состояния для твердых тел с использованием ранее полученных результатов анализа течений Навье-Стокса (полей давлений и/или температур) в качестве нагрузок.

Свойствами течений могут являться:

  • плотность;
  • вязкость;
  • удельная теплоемкость;
  • теплопроводность.

Граничными условиями могут быть:

  • скорость;
  • давление;
  • расход;
  • ускорение;
  • температура;
  • тепловой поток;
  • тепловая конвекция;
  • тепловая радиация.

Все свойства и граничные условия течений могут быть заданы в виде постоянных значений или переменных с помощью графиков, таблиц, функций относительно координат, температур, давлений.

Для каждого из типов анализа течений используется конечно-элементная формулировка, основанная на базовых законах сохранения.

Поддерживаемыми типами конечных элементов являются объемные элементы первого порядка:

  • 4-х узловой тетраэдр;
  • 5-и узловая пирамида;
  • 6-и узловая призма;
  • 8-и узловой гексаэдр.

Результатами каждого из типов анализа являются:

  • поля давлений;
  • поля скоростей.

Дополнительными результатами анализа течений Навье-Стокса, в зависимости от типа учитываемых мультифизических процессов, могут являться:

  • градиенты, роторы, дивергенция скоростей;
  • градиенты давлений, напряжения Рейнольдса;
  • температура, градиенты температур, тепловые потоки;
  • кинетическая энергия турбулентности, диссипация турбулентности, турбулентная вязкость, турбулентная теплопроводность;
  • плотность, вязкость, удельная теплоемкость, теплопроводность.

В зависимости от типа, результат анализа может быть представлен в виде статических контурных, векторных карт, линий тока, или в виде анимаций скалярных и векторных полей характеристик течений.

Структура APM FGA и его интеграция в программный комплекс APM Multiphysics

Программный продукт APM FGA, созданный на базе модулей APM Structure3D и APM Studio, обладает набором необходимых собственных инструментов для выполнения всех стадий решения задач механики жидкостей и газов, модульную структуру которого можно представить в общем следующем виде.

Структура APM FGA

Модуль подготовки графической информации включает средства трехмерного геометрического моделирования для создания объемных геометрических моделей и их визуального представления, а также обмена (экспорт/импорт) моделей со сторонними 3D редакторами.
Модуль автоматической генерации конечно-элементной сетки включает поддержку возможностей создания и редактирования сетки в ручном режиме.
Модуль подготовки препроцессорной информации включает инструменты задания материалов с характерными свойствами и параметрами течений и сред течений, начальных и граничных условий в виде постоянных значений или переменных по координатам и времени, а также их всевозможные комбинации, визуализации начальных и граничных условий на геометрической модели и на конечно-элементной сетке.

В модуле процессорного обеспечения расчетных задач в различных постановках реализованы математические модели численным методом конечных элементов для стационарных слабосжимаемых ламинарных / турбулентных течений, изотермических / термических течений с учетом различных процессов теплообмена, таких как теплопроводность, вынужденная и естественная конвекция, излучение, сопряженного теплообмена.

Модуль постпроцессорной информации включает визуализацию результатов анализа в виде контурных и векторных статических карт и линий тока, а также в виде анимаций скалярных и векторных полей характеристик течений.

Схематично интеграция программного продукта APM FGA в единую структуру программного продукта APM Multiphysics представляется в следующем виде.

 

Структура программного комплекса APM FGA

 

Программный продукт APM Multiphysics, имеющий в своем составе APM FGA, обладает единой пользовательской и вычислительной архитектурой для обеспечения сопряженного решения междисциплинарных задач в единой конечно-элементной модели благодаря связям на уровне препроцессоров и процессоров, подробную информацию по которому можно найти в соответствующем разделе сайта.

 

Типы анализов APM FGA

Анализ потенциальных течений позволяет рассчитывать поля скоростей и давлений идеальных течений (несжимаемых, изотермических, невязких). Благодаря своей простоте и скорости решения данный анализ широко используется на предварительных этапах проектирования, где не ставиться целью получение точного решения и можно пренебречь вязкими эффектами.

Анализ фильтрации течений используется для расчета полей давлений и скоростей течений через ортотропную пористую среду в стационарной и нестационарной постановках. Широкое распространение данный анализ получил при проектировании плотин, для учета просачивания через тело плотины, дамбы или через грунты основания.

Анализ течений Навье-Стокса, основанный на решении уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, используется для расчета полей различных кинематических, динамических, тепловых, энергетических характеристик внутренних/внешних малосжимаемых течений в стационарной ламинарной/турбулентной изотермической/термической постановках.

 

Примеры применения APM FGA

Анализ течений жидких и газовых сред может быть полезен в широком спектре приложений. Возможные сферы применения APM FGA наиболее широко представлены в областях машиностроения и приборостроения, и, в частности, анализ течений Навье-Стокса имеет весьма широкие области применения:

  • атомная энергетика, для расчета теплообменников и трубопроводов при решении термической задачи, сопряженного теплообмена и/или анализа течений в них;
  • микроэлектроника и приборостроения, для определения параметров вынужденной конвекции при работе приборов в целом и/или отдельных плат и микросхем;
  • нефтегазовая отрасль, для расчета течений в трубопроводах и элементах запорной арматуры;
  • судостроение, для расчета судовых трубопроводных систем, систем автоматического управления, систем нагрева, охлаждения и вентиляции;
  • строительство, для анализа ветровых нагрузок на здания и сооружения, расчет вентиляции/отопления и естественной конвекции.

Далее будут отмечены несколько примеров применения, чтобы дать общее представление о применимости этого анализа и его использовании в промышленности.

 

Внутренние течения, где жидкость или газ выступают в качестве рабочих сред.

 

Течение жидкости через диффузорТеплообмен в смесителеМоделирование течения Тейлора-Куэтта

 

 

Термические задачи и сопряженный теплообмен, где жидкость или газ выступают в качестве теплоносителей.

Данных класс задач характеризуется наличием процессов теплообмена, которые включают в себя теплопроводность, адвективный перенос, вынужденную и свободную конвекцию, теплообмен излучением и теплообмен смешанного типа.

 

Течение жидкости в теплообменникеТурбулентное течение в лопатке турбиныТурбулентное течение в теплообменном аппарате

 

Внешние течения (ветровые потоки)

Ветровые нагрузки оказывают существенное влияние на напряженно-деформированные состояния зданий и сооружений. При отсутствии сейсмических воздействий эти нагрузки являются единственными динамическими. Одной из областей применения APM FGA в области строительства является определение ветровых нагрузок, а точнее полей давлений на поверхности зданий путем проведения ряда анализов течений воздушных потоков.

 

Обтекание зданий квартала воздушным потоком в APM FGAОбтекание зданий квартала воздушным потоком в APM FGAОбтекание зданий квартала воздушным потоком в APM FGAОбтекание зданий квартала воздушным потоком в APM FGA

 

В связи с тенденциями увеличения плотности застройки городской среды здесь можно выделить еще одну область применения, направленную на оценку благоприятных условий жизнедеятельности в окрестности существующей или планируемой застройки с точки зрения создания безопасной области обитания человека.

Продукты